一种悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置及方法

1.本发明涉及一种悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置及方法，属于转速测量技术领域。


背景技术：

2.悬浮条件下，液态金属熔滴的转速会直接影响熔滴的内部流场，从而影响其内部元素成分分布及凝固组织，最终决定金属材料的性能优异。
3.目前常用的转速测量方法包括直接法和间接法。直接法是通过直接测量机械运动在规定时间内机械旋转的圈数，从而测得其转速；间接法是测量由于机械运动导致的其他因素的变化，通过其他因素与转速之间的相关性得到物体的转速。但是由于悬浮过程中金属熔滴处于密闭悬浮仓内，金属熔滴无法与检测仪器直接接触，所以间接法更适用测量金属熔滴的转速。根据文献调查可知，关于悬浮条件下金属熔滴转速测量的专利没有报道，现有的关于悬浮条件下金属熔滴的专利包括液态金属传热的计算方法（中国专利，公布号：cn108763688a）、液态金属三维温度场的测定装置及方法（中国专利，公告号：cn110243489b）及金属液滴快速凝固方法（中国专利，公布号：cn111230130a）等。
4.金属熔滴在悬浮精炼过程中存在不断旋转的现象，由于该现象对金属熔滴的元素成分分布及凝固组织有较大影响，所以很有必要设计一种可以检测金属熔滴旋转速度的方法，有利于进一步研究金属熔滴转速与元素成分分布及凝固组织之间的关系。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置及方法。本方法使用的高速摄像仪可以同时具有采集熔滴表面形貌变化的影像等功能，可实现一机多用，简化了检测设备的数量。本发明通过以下技术方案实现。
6.一种悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置，包括电磁悬浮装置、高速摄像仪8和计算机系统9，电磁悬浮装置包括感应线圈1、密闭悬浮仓3、出气口4、进气口5和高频电源系统7，密闭悬浮仓3上部设有进气口5和下部设有出气口4，进气口5中通入保护性气体6，测量时，对透明密闭悬浮仓3中的悬浮熔滴2进行摄像，并将数据传输到计算机系统9。
7.所述透明密闭悬浮仓3为石英管。
8.一种悬浮条件下测量金属熔滴转速的方法，其包含以下步骤：步骤1、检查密闭悬浮仓3的气密性，确认密闭后打开进气口5，通入保护性气体6的5min，使悬浮仓内无空气存在；步骤2、将悬浮材料输送至感应线圈1的中心位置，打开高频电源系统7后，悬浮材料悬浮并完全熔化为悬浮熔滴2；步骤3、当悬浮熔滴2稳定悬浮后，打开高速摄像仪8捕捉悬浮熔滴2稳定悬浮的影像，然后将数据传输到计算机系统9，具体计算过程为：3.1、选取照片，对照片中熔滴的尺寸进行测量，通过测量结果结合公式ⅰ求得熔滴
旋转的角度的余弦值cos θ，再根据反余弦定理求得熔滴旋转的角度θ的大小；
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公式ⅰ，其中d——熔滴直径，mm；h——熔滴在主视图方向上移动的距离，mm；θ——熔滴旋转的角度，
°
；3.2、通过步骤3.1得到的熔滴旋转的角度θ，结合公式ⅱ求得熔滴的转速；
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公式ⅱ，其中ω——旋转角速度，rad/s；n——一秒内高速摄像仪采集的照片数量，n——所选的两张照片之间相隔的照片数量。
9.所述步骤1中保护性气体为氩气或氦气保护性气体，气体流量为0.5l/min至6.0l/min。
10.所述步骤2中高频电源系统7电流为200
‑
700a、电源频率200khz
‑
400khz、功率3000
‑
4500w。
11.所述步骤2中悬浮材料为质量为0.8
‑
3.0g的颗粒状导体或半导体。
12.所述步骤3中高速摄像仪8为pco.dimax hd，画面每秒传输帧数及曝光度可以根据现场实际情况调节。
13.本发明的有益效果是：1、本发明设计的金属熔滴旋转速度的方法，对金属熔滴悬浮过程中相关物理量的检测进一步完善，有利于进一步研究金属熔滴转速与元素成分分布及凝固组织之间的关系，为得到良好性能材料奠定基础。
14.2、本发明使用的高速摄像仪设备可以在测量金属熔滴转速的同时具有采集熔滴表面形貌变化的影像等功能，可实现一机多用，简化了检测设备的数量。
附图说明
15.图1是本发明装置结构示意图；图2是本发明金属熔滴转速计算原理示意图；图3是本发明实施例1钢熔滴转速计算结果图；图4是本发明实施例2硅铁熔滴转速计算结果图；图5是本发明实施例3冶金级硅熔滴转速计算结果图。
16.图中：1
‑
感应线圈，2
‑
悬浮熔滴，3
‑
密闭悬浮仓，4
‑
出气口，5
‑
进气口，6
‑
保护性气体，7
‑
高频电源系统，8
‑
高速摄像仪，9
‑
计算机系统。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
18.实施例1如图1所示，该悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置，包括电磁悬浮装置、高速摄像仪8和计算机系统9，电磁悬浮装置包括感应线圈1、密闭悬浮仓3、出气口4、进气口5和高频电源系统7，密闭悬浮仓3上部设有进气口5和下部设有出气口4，进气口5中通入保护性气体6，测量时，对透明密闭悬浮仓3中的悬浮熔滴2进行摄像，并将数据传输到计算机系统9。
19.所述透明密闭悬浮仓3为石英管。
20.该悬浮条件下测量金属熔滴转速的方法，其包含以下步骤：步骤1、检查密闭悬浮仓3的气密性，确认密闭后打开进气口5，通入保护性气体6（保护性气体为氩气，气体流量为1l/min）的5min；步骤2、将悬浮材料（钢颗粒，1.2g）输送至感应线圈1的中心位置，打开高频电源系统7（电流310a、电源频率320khz、功率3400w）后，悬浮材料悬浮并完全熔化为悬浮熔滴2；步骤3、当悬浮熔滴2稳定悬浮后，打开高速摄像仪8捕捉悬浮熔滴2稳定悬浮的影像，然后将数据传输到计算机系统9，具体计算过程如图2所示：3.1、选取照片，对照片中熔滴的尺寸进行测量，选取如图3所示，此时高速摄像仪8设置参数为每秒传输帧数1547fps，曝光度150μs，通过图3测量结果结合公式ⅰ求得熔滴旋转的角度的余弦值cos θ，再根据反余弦定理求得熔滴旋转的角度θ的大小；
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公式ⅰ，cos θ=0.667，θ=48.189
°
（0.841）；3.2、通过步骤3.1得到的熔滴旋转的角度θ，结合公式ⅱ求得熔滴的转速；
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公式ⅱ，n=1547，n=21，ω=61.96 rad/s。
21.实施例2如图1所示，该悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置，包括电磁悬浮装置、高速摄像仪8和计算机系统9，电磁悬浮装置包括感应线圈1、密闭悬浮仓3、出气口4、进气口5和高频电源系统7，密闭悬浮仓3上部设有进气口5和下部设有出气口4，进气口5中通入保护性气体6，测量时，对透明密闭悬浮仓3中的悬浮熔滴2进行摄像，并将数据传输到计算机系统9。
22.所述透明密闭悬浮仓3为石英管。
23.该悬浮条件下测量金属熔滴转速的方法，其包含以下步骤：步骤1、检查密闭悬浮仓3的气密性，确认密闭后打开进气口5，通入保护性气体6（保护性气体为氦气，气体流量为1l/min）5min；步骤2、将悬浮材料（硅铁颗粒，1.5g）输送至感应线圈1的中心位置，打开高频电源系统7（电流330a、电源频率340khz、功率4300w）后，悬浮材料悬浮并完全熔化为悬浮熔滴2；步骤3、当悬浮熔滴2稳定悬浮后，打开高速摄像仪8捕捉悬浮熔滴2稳定悬浮的影像，然后将数据传输到计算机系统9，具体计算过程如图2所示：3.1、选取照片，对照片中熔滴的尺寸进行测量，选取如图4所示，此时高速摄像仪8设置参数为每秒传输帧数945fps，曝光度150μs，通过图4测量结果结合公式ⅰ求得熔滴旋转的角度的余弦值cos θ，再根据反余弦定理求得熔滴旋转的角度θ的大小；
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公式ⅰ，cos θ=0.866，θ=29.93
°
（0.522）；3.2、通过步骤3.1得到的熔滴旋转的角度θ，结合公式ⅱ求得熔滴的转速；
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公式ⅱ，n=945，n=8，ω=61.69 rad/s。
24.实施例3如图1所示，该悬浮条件下测量金属熔滴转速的装置，包括电磁悬浮装置、高速摄像仪8和计算机系统9，电磁悬浮装置包括感应线圈1、密闭悬浮仓3、出气口4、进气口5和高频电源系统7，密闭悬浮仓3上部设有进气口5和下部设有出气口4，进气口5中通入保护性气体6，测量时，对透明密闭悬浮仓3中的悬浮熔滴2进行摄像，并将数据传输到计算机系统9。
25.所述透明密闭悬浮仓3为石英管。
26.该悬浮条件下测量金属熔滴转速的方法，其包含以下步骤：步骤1、检查密闭悬浮仓3的气密性，确认密闭后打开进气口5，通入保护性气体6（保护性气体为氦气，气体流量为1l/min）5min；步骤2、将悬浮材料（冶金级硅颗粒，1.8g）输送至感应线圈1的中心位置，打开高频电源系统7（电流420a、电源频率318khz、功率4150w）后，悬浮材料悬浮并完全熔化为悬浮熔滴2；步骤3、当悬浮熔滴2稳定悬浮后，打开高速摄像仪8捕捉悬浮熔滴2稳定悬浮的影像，然后将数据传输到计算机系统9，具体计算过程如图2所示：3.1、选取照片，对照片中熔滴的尺寸进行测量，选取如图5所示，此时高速摄像仪8设置参数为每秒传输帧数1547fps，曝光度150μs，通过图5测量结果结合公式ⅰ求得熔滴旋转的角度的余弦值cos θ，再根据反余弦定理求得熔滴旋转的角度θ的大小；
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公式ⅰ，cos θ=0.925，θ=22.33
°
（0.390）；3.2、通过步骤3.1得到的熔滴旋转的角度θ，结合公式ⅱ求得熔滴的转速；
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公式ⅱ，n=1547，n=12，ω=50.33rad/s。
27.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。